Aggiornamenti del Corrosion Module

Agli utenti del Corrosion Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre la nuova interfaccia Current Distribution, Shells, la nuova interfaccia Current Distribution, Boundary Elements e la nuova interfaccia fisica per modellare il trasporto di specie chimiche in fratture. Ulteriori informazioni su questi e altri aggiornamenti del Corrosion Module sono forniti qui di seguito.

Interfaccia Current Distribution, Boundary Elements

L'interfaccia Current Distribution, Boundary Elements può essere utilizzata per risolvere problemi di distribuzione della corrente primaria e secondaria in geometrie basate su elementi di lato (elementi beam o wire) ed elementi di superficie. L'interfaccia utilizza una formulazione del metodo degli elementi al contorno (BEM) per risolvere l'equazione di trasferimento di carica in un elettrolita a conducibilità costante, dove gli elettrodi sono specificati sui contorni o come tubi con un raggio dato intorno ai lati. Di solito si utilizza questa interfaccia per ridurre il tempo necessario per la creazione della mesh e per la soluzione per geometrie grandi, in cui una parte significativa della geometria può essere approssimata come tubi lungo i lati.

Modello di piattaforma petrolifera con una nave con scafo isolato

Una nave ancorata vicino a una piattaforma petrolifera. Lo scafo è sottoposto al campo elettrico dovuto al sistema anticorrosione catodico. La figura a sinistra mostra uno scafo isolato, ad esempio mediante uno strato spesso di vernice.

Una nave ancorata vicino a una piattaforma petrolifera. Lo scafo è sottoposto al campo elettrico dovuto al sistema anticorrosione catodico. La figura a sinistra mostra uno scafo isolato, ad esempio mediante uno strato spesso di vernice.
Modello di piattaforma petrolifera con una nave con scafo in acciaio nudo Una nave è ancorata vicino a una piattaforma petrolifera. Lo scafo della nave è sottoposto al campo elettrico dovuto al sistema di corrosione catodico. La figura illustra una nave in cui parti dello scafo sono di acciaio nudo e si comportano come un elettrodo bipolare. La prua funziona come anodo e la poppa come catodo. La struttura della piattaforma petrolifera vicino alla nave è polarizzata catodicamente. Una frazione della corrente impressa va dagli anodi sacrificali attraverso l'acqua di mare, nello scafo della nave, e fuoriesce percorrendo l'acqua di mare e attraversando la struttura della piattaforma.
Una nave è ancorata vicino a una piattaforma petrolifera. Lo scafo della nave è sottoposto al campo elettrico dovuto al sistema di corrosione catodico. La figura illustra una nave in cui parti dello scafo sono di acciaio nudo e si comportano come un elettrodo bipolare. La prua funziona come anodo e la poppa come catodo. La struttura della piattaforma petrolifera vicino alla nave è polarizzata catodicamente. Una frazione della corrente impressa va dagli anodi sacrificali attraverso l'acqua di mare, nello scafo della nave, e fuoriesce percorrendo l'acqua di mare e attraversando la struttura della piattaforma.

Interfaccia Current Distribution, Shell

L'interfaccia Current Distribution, Shell modella la conduzione di corrente ionica in direzione tangenziale lungo un bordo. L'interfaccia fisica è adatta per modellare elettroliti sottili quando la variazione potenziale in direzione normale è trascurabile: ad esempio, nei problemi di corrosione atmosferica. Qui, un film molto sottile di elettrolita può formarsi sulle superfici metalliche. L'interfaccia permette di tener conto della corrente ionica senza dover generare la mesh 3D di questo strato di liquido.

Modello creato con l'interfaccia Current Distribution, Shell

Distribuzione del potenziale.

Distribuzione del potenziale.

Condizione al contorno interna Ion-Exchange Membrane nell'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck

Il nuovo nodo di contorno Ion-Exchange Membrane specifica una condizione al contorno in cui il flusso di ioni è continuo, ma il potenziale dell'elettrolita è discontinuo e viene descritto mediante l'equilibrio di Donnan. Questa condizione viene usata di solito in celle elettrochimiche contenenti sia elettroliti liberi sia membrane a scambio ionico, ad esempio in problemi di dialisi. Una variazione del potenziale di Donnan viene calcolata automaticamente a partire dalle concentrazioni dello ione su ciascun lato dell'interfaccia di separazione del mezzo.

Grafico del potenziale elettrolitico di una batteria di vanadio a flusso redox

Potenziale elettrolitico in una batteria di vanadio a flusso redox che mostra le variazioni di potenziale alle interfacce tra l'elettrolita libero e la membrana di scambio ionico.

Potenziale elettrolitico in una batteria di vanadio a flusso redox che mostra le variazioni di potenziale alle interfacce tra l'elettrolita libero e la membrana di scambio ionico.

Percorso dell'Application Library con il modello aggiornato Vanadium Redox Flow Battery:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Flow_Batteries/v_flow_battery

Nuovi modelli di conservazione della carica nell'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck

L'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck ora supporta quattro diversi modelli di conservazione della carica: elettroneutralità, basato sull'acqua con elettroneutralità, elettrolita di supporto e Poisson.

Funzionalità Thin Electrode Layer

La funzione Thin Electrode Layer può essere utilizzata per modellare uno strato sottile isolante o resistivo posto su un bordo interno nel dominio di un elettrodo. Costituisce un'alternativa alla definizione di un vero e proprio dominio che descriva lo strato effettivo nella geometria del modello e consente di ridurre sensibilmente i tempi necessari per generare la mesh e la soluzione, soprattutto nei modelli 3D. Uno strato sottile di elettrodo può essere utilizzato, ad esempio, per modellare un'impedenza di contatto tra due conduttori elettrici. Lo strato può essere impostato come isolante o resistivo.

Thin Electrolyte Layer

La funzione Thin Electrolyte Layer specifica uno strato sottile di elettrolita su un bordo interno tra due domini di elettrolita. Il nodo costituisce un'alternativa alla definizione di un vero e proprio dominio che descriva lo strato nella geometria del modello e consente di ridurre sensibilmente i tempi necessari per generare la mesh e la soluzione. La condizione può essere definita come membrana isolante, resistiva o di scambio ionico. Questa funzionalità sostituisce la condizione Thin Insulating Layer nelle versioni precedenti.

Condizione Circuit Terminal

È possibile utilizzare la funzione Circuit Terminal su un bordo per specificare un accoppiamento con il nodo External I vs. U nell'interfaccia Electrical Circuit dell'AC/DC Module. La condizione Circuit Terminal è ora disponibile anche come condizione al contorno nel nodo Electrode Surface e come modalità operativa nell'interfaccia Single Particle Battery. Questa consente di includere nelle simulazioni circuitali i modelli di batterie ad alta fedeltà.

Nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures

Le fratture hanno spessori molto piccoli rispetto alle quote di lunghezza e larghezza. Spesso è difficile modellare il trasporto di specie chimiche in questi sistemi dovendo generare la mesh dello spessore di una frattura, a causa dell'elevato rapporto di forma tra le quote dimensionali. La nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures tratta la frattura come una shell, generando solo la mesh di superficie delle quote trasversali.

L'interfaccia consente di definire lo spessore medio della frattura, nonché la porosità nei casi in cui la frattura sia considerata come una struttura porosa. Per il trasporto delle specie chimiche, l'interfaccia consente di definire i modelli di diffusività efficace per includere gli effetti legati alla porosità. Il trasporto convettivo può essere accoppiato a un'interfaccia Thin-Film Flow o includere equazioni personalizzate per definire il flusso attraverso la frattura. Inoltre, si possono definire reazioni chimiche che si verificano sulle superfici, all'interno delle fratture o in un mezzo poroso che le includa.

Trasporto di specie diluite lungo una superficie di frattura leggermente curva Trasporto di specie diluite lungo la superficie di una frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.
Trasporto di specie diluite lungo la superficie di una frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.

Superfici di frattura nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media

Nei casi in cui il trasporto avvenga in un dominio poroso 3D con frattura, la nuova condizione al contorno Fracture consente di modellare il trasporto nelle fratture sottili senza doverle meshare come entità 3D. La condizione al contorno Fracture è inclusa nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media (v. immagine) e ha le stesse impostazioni dell'interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures (descritta sopra). Le equazioni del moto e il trasporto di specie chimiche si accoppiano in modo del tutto analogo tra un mezzo poroso 3D, equazioni del moto e trasporto di specie chimiche in frattura.

L'immagine seguente mostra il campo di concentrazione nel modello di un reattore poroso. Nel modello, una frattura distorta "perde" i reagenti in profondità nel catalizzatore poroso, da sinistra a destra, a una velocità maggiore rispetto al trasporto attraverso il mezzo poroso. Questo è dovuto al fatto che la superficie di frattura ha una porosità media molto più elevata rispetto al catalizzatore poroso circostante, il che risulta in una velocità di trasporto di massa superiore.

Impostazioni dell'interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3)
Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3)

Nuova interfaccia Electrophoretic Transport

La nuova interfaccia Electrophoretic Transport può essere utilizzata per studiare il trasporto di specie completamente dissociate, acidi e basi deboli, anfoliti e proteine in solventi acquosi. L'interfaccia fisica può essere utilizzata per modellare vari processi elettroforetici, come l'elettroforesi zonale, l'isotacoforesi, la focalizzazione isoelettrica e l'elettroforesi con contorno mobile, ma vale anche per qualsiasi sistema acquoso che coinvolga molteplici equilibri acido-base.

 

Elettroforesi zonale che separa un campione misto di due molecole in due picchi di concentrazione ben risolti.